KR0171549B1 - Solid state sensors - Google Patents

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KR0171549B1
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스피겔 알렌 제이
바이오메디칼 센서스 리미티드
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Abstract

본 발명은 매질 및 분석물에 불활성이고, 인디케이터의 감도에 영향을 미치지 않는 중합체(이때, 중합체는 인디케이터와 상용성이 있는 분자 구조를 갖는 실리콘 카비놀로부터 형성된 가교결합된 고형 실리콘 고무이다)로부터 형성된 기질을 안정화시키면서 분석물에 민감한 화학적 인디케이터를 포함하는, 매질중에서 분석물, 특히 pO2, pCO2및 pH의 결정을 위한 안정화된 생-불활성 센서에 관한 것이다.The present invention is formed from a polymer that is inert to the medium and analyte and does not affect the sensitivity of the indicator, wherein the polymer is a crosslinked solid silicone rubber formed from silicone carbinol having a molecular structure compatible with the indicator. It relates to a stabilized bio-inert sensor for the determination of analytes, in particular pO 2 , pCO 2 and pH, in a medium comprising chemical indicators sensitive to the analyte while stabilizing the substrate.

Description

고형 상태 센서Solid state sensors

외과 수술중, 수술후 및 집중적인 치료를 받는 입원 기간동안 혈액의 pO2, pCO2및 pH의 측정은 중요하고, 상기 변수의 측정 및 다양한 모니터링을 위한 다양한 센서 기구가 당 분야에 개시되어 있다. 액상 매질에서 분석물의 농도를 결정하기 위한, 본원에서는 이후 센서로 언급하는 센서 기구는 전형적으로 적합한 탐지기로 변화를 나타내는 신호를 이동시키는 전달 선으로 또한 작용하는 적합한 담체 또는 기질과 함께 분석물의 존재시 변하는 특징을 갖는 탐지기로 구성된다. 예를 들면, 혈액중의 산소 농도를 결정하기 위한 형광 탐지기로서의 피렌부티르산의 이용은 공지되어 있고, 광섬유와 함께 상기 센서에서 사용되며, 이때 선택 투과성 막으로 폐쇄된 형광 탐지기는 미국 특허 제4,476,870호에 개시되어 있다.Measurements of pO 2 , pCO 2 and pH of blood during surgical operations, post-surgery and during hospitalizations under intensive care are important, and various sensor instruments for the measurement of these parameters and for various monitoring are disclosed in the art. For determining the concentration of an analyte in a liquid medium, a sensor instrument, referred to herein as a sensor, typically varies in the presence of an analyte with a suitable carrier or substrate that also acts as a transmission line that shifts the signal indicating a change to a suitable detector. It consists of a detector with features. For example, the use of pyrenbutyric acid as a fluorescence detector to determine the oxygen concentration in the blood is known and used in such sensors with optical fibers, in which the fluorescence detector closed with a selective permeable membrane is described in US Pat. No. 4,476,870. Is disclosed.

형광 탐지기를 이용하고 생물 환경에서 만족할 만한 기능을 갖는 센서는 감도, 짧은 반응 시간, 안정성 및 생-불활성의 4가지 특징을 가져야만 한다.Sensors using fluorescence detectors and having satisfactory functions in the biological environment should have four characteristics: sensitivity, short reaction time, stability and bio-inertness.

감도는 형광 인디케이터의 양자 효율성, 센서에 존재하는 인디케이터의 농도 및 감지해야만 하는 기질, 즉 이온 또는 기체에 대한 인디케이터의 이용가능성에 의존한다. 따라서 의미있는 형광 반응을 생성시키기위해 충분한 양의 인디케이터가 이용가능해야만 한다. 그러나, 인디케이터 분자가 서로 너무 밀접하게 위치한다면, 센서의 작동에 종종 해로운 유형의 행동이 발생한다; 이 행동은 엑시머(eximer) 형광으로 공지되어 있다. 따라서, 주어진 인디케이터에는 최대 감도를 위한 최적 인디케이터 농도가 있다.The sensitivity depends on the quantum efficiency of the fluorescent indicator, the concentration of the indicator present in the sensor and the availability of the indicator for the substrate, i. Thus, sufficient amount of indicator must be available to produce a meaningful fluorescence reaction. However, if the indicator molecules are placed too close to each other, a type of behavior often occurs that is detrimental to the operation of the sensor; This behavior is known as excimer fluorescence. Thus, a given indicator has an optimal indicator concentration for maximum sensitivity.

형광 센서의 구축시 반드시 해결해야 하는 다른 문제는 감지되는 환경에서의 인디케이터의 이용가능성이다. 대상인 이온 또는 기체가 인디케이터 분자에 도달하지 못하면 인디케이터는 상기 이온 또는 가스의 존재 또는 부재에 반응하지 않을 것이다. 상기 문제는 인디케이터 분자가 포함된 구조의 투과성과 명확하게 연관이 있다.Another problem that must be solved in the construction of a fluorescent sensor is the availability of the indicator in the sensed environment. If the ion or gas of interest does not reach the indicator molecule, the indicator will not respond to the presence or absence of the ion or gas. This problem is clearly related to the permeability of the structure containing the indicator molecule.

반응 시간은 또한 투과성과 연관이 있다. 감지되는 기질(즉, 이온 또는 기체)이 구조를 통해 매우 서서히 분산되면 센서의 반응 시간은 상대적으로 길 것이고 이는 유용성을 크게 감소시킨다.Reaction time is also associated with permeability. If the sensed substrate (ie ions or gases) is dispersed very slowly through the structure, the sensor's response time will be relatively long, which greatly reduces its usefulness.

혈액의 기체 또는 혈액의 pH를 측정하는 센서는 몇시간 또는 며칠 동안 사용할 수 있어야 한다. 생체내에서 사용중인 센서의 재보정은 엉성하고 비효율적이거나 심지어 불가능하다. 따라서 센서의 안정성은 그의 유용성을 결정하는데 결정적인 요인이다. 형광 센서 고안에서의 공통적인 문제점은 센서로부터 인디케이터가 점차적으로 손실되는 것이다. 이는 감도를 떨어뜨려 감지되는 물질이 일정한 농도이더라도 센서의 표시가 불안정해질 뿐 아니라, 혈액의 흐름중에 화학적 인디케이터를 유리시킨다. 화학적 인디케이터를 혈액 흐름으로 유리시키는 기구는 생 불활성으로 간주될 수 없다. 본원에서 사용되는 생-불활성은 기구의 일부인 어떤 및 모든 화학 물질이 기구의 구조에 단단히 고정되어 일상적인 조작 조건에서 기구로부터 유리되거나 삼출되지 않는 기구, 즉 센서의 특징을 의미한다.Sensors that measure blood gas or blood pH should be available for hours or days. Recalibration of sensors in use in vivo is sparse, inefficient or even impossible. Thus, the stability of the sensor is a decisive factor in determining its usefulness. A common problem in fluorescence sensor designs is the progressive loss of indicator from the sensor. This lowers the sensitivity, which makes the display of the sensor unstable, even at constant concentrations, and liberates chemical indicators in the blood flow. Instruments that release chemical indicators into the blood flow cannot be considered bioinert. Bio-inert, as used herein, refers to the characteristics of an instrument, i.e., a sensor, in which any and all chemicals that are part of the instrument are firmly fixed to the structure of the instrument so that it is not liberated or exuded from the instrument under routine operating conditions.

작은 분자들이 중합성 매트릭스에 파묻혀 있을 때 본질적인, 종래 분야에서 센서로부터 지시 물질이 삼출되는 문제는 일반적으로 인디케이터를 선택 투과성이 있는 막으로 감싸거나 파묻는 쪽으로 접근시켰다.The problem of exuding indicator material from a sensor in the prior art, which is inherent when small molecules are embedded in a polymerizable matrix, has generally approached the indicator to be wrapped or embedded in a selectively permeable membrane.

실제로, 문제는 인디케이터가 손실되면서 감도가 점차적으로 손실됨으로서 자명하다; 이는 센서의 연소적인 재보정을 필요로 한다.In practice, the problem is evident by the gradual loss of sensitivity as the indicator is lost; This requires a combustible recalibration of the sensor.

언급된 종래 분야의 배열은 지시 물질의 일부가 여전히 센서로부터 삼출되므로 문제가 완전히 해결될 수 없다. 따라서, 재보정의 문제는 여전히 남아 있고, 더구나 유리된 인디케이터는 환자의 혈액 흐름으로 흘러간다.The above mentioned prior art arrangement does not completely solve the problem since some of the indicator material is still exuded from the sensor. Thus, the problem of recalibration remains, and moreover, the free indicator flows into the patient's blood flow.

따라서, 신체의 유체와 접속시 인디케이터가 센서로부터 삼출되거나 세척되어 나가지 않는 보다 안정한 센서를 제공하는 것이 필요하다.Thus, there is a need to provide a more stable sensor in which the indicator does not exudate or flush out of the sensor when in contact with the fluid of the body.

원하는 안정성은 미국 특허 제5,019,350호에 따라서, 중합체에 에스테르 또는 아미드 결합에 의해 공유결합하는 동일하거나 상이할 수 있는 다수의 형광 유기 치환체를 갖는 접착성의 수불용성 유기 중합체에 안정적으로 결합한 원위말단을 갖는 광섬유를 포함하는, 수성 매질에서 용해된 물질의 농도를 결정하기 위한 센서를 제공하여 달성되었다.The desired stability is in accordance with US Pat. No. 5,019,350, wherein the optical fiber has a distal end that is stably bound to an adhesive water-insoluble organic polymer having a plurality of fluorescent organic substituents, which may be the same or different, covalently bonded by ester or amide bonds to the polymer. It was achieved by providing a sensor for determining the concentration of dissolved material in an aqueous medium.

중합체 및 형광 유기 치환체의 혼합은 형광 중합성 인디케이터를 형성하고, 이의 예는 pO2, pH 및 pCO2용 인디케이터이다.The mixing of the polymer and the fluorescent organic substituent forms a fluorescent polymerizable indicator, examples of which are indicators for pO 2 , pH and pCO 2 .

미국 특허 제5,262,037호는 혈액 흐름중의 산소의 부분압을 결정하는 전기화학적 센서를 개시한다. 상기 pO2용의 전기 화학적 센서는 pH 센서 및 pCO2센서와 함께 사용되어 다중 변수 센서를 형성할 수 있다. 상기 다중 변수 센서에서 pH 센서 및 pCO2센서는, 센서의 일부분이 매질과 접촉하며, 상기 일부분이 파장 안내의 절단면 영역을 실질적으로 포함하게 배열되는 다수의 셀을 갖고, 상기 셀 각각이 상기 분석물에 민감한 인디케이터를 함유하는 광학 파장 안내를 포함하는, 매질중의 분석물을 결정하기 위한 광학 파장안내 센서를 제공하는 미국 특허 제4,889,407호의 명세서에 따라 제조된다. 바람직한 파장안내는 광섬유이고 개시된 인디케이터는 페놀 레드와 같은 pH에 대한 흡수 인디케이터, 및 pH 또는 pCO2를 위한 1β-움벨리페론 및 pO2용의 피렌 부티르산과 같은 형광 인디케이터를 포함한다. 센서의 제조에서, 셀을 함유한 섬유의 일부를 인디케이터 용액 및 적절한 겔-형성 성분에 함침시키고, 함침된 섬유를 진공처리하여 셀이 진공이 되어 용액이 들어오고 겔을 경화시켜 인디케이터가 셀내에 안정한 방식으로 잔류하여, 인디케이터가 광섬유의 셀에 겔 또는 고형물의 형태로 부착된다.U.S. Patent 5,262,037 discloses an electrochemical sensor that determines the partial pressure of oxygen in the blood stream. The electrochemical sensor for pO 2 can be used with a pH sensor and a pCO 2 sensor to form a multivariable sensor. In the multivariate sensor the pH sensor and the pCO 2 sensor have a plurality of cells in which a portion of the sensor is in contact with the medium and the portion is arranged to substantially comprise a cutaway region of the wavelength guide, each of the cells being the analyte. It is prepared according to the specification of US Pat. No. 4,889,407, which provides an optical wavelength guide sensor for determining an analyte in a medium, including optical wavelength guide containing an indicator sensitive to the medium. Preferred wavelengthguides are optical fibers and the disclosed indicators include absorption indicators for pH, such as phenol red, and fluorescent indicators, such as pyrene butyric acid for 1β-umbelliferone and pO 2 for pH or pCO 2 . In the manufacture of the sensor, a portion of the fiber containing the cell is immersed in the indicator solution and the appropriate gel-forming component, and the impregnated fiber is evacuated so that the cell is evacuated so that the solution enters and the gel is cured so that the indicator is stable in the cell. Remaining in a manner, the indicator is attached to the cells of the optical fiber in the form of gels or solids.

PCT 특허 공개 공보 제 WO 91/05252호는 투명한 중합체 비히클의 본질적인 혼합물을 포함하는 지시 막상의 물질, 및 이산화탄소에 노출시 색이 변화하는 인디케이터 물질로 구성되는 이산화탄소 모니터를 개시한다. 인디케이터 물질은 인디케이터 음이온의 염 및 친유성 유기 4차 양이온을 포함한다.PCT Patent Publication No. WO 91/05252 discloses a carbon dioxide monitor consisting of an indicator film material comprising an intrinsic mixture of a transparent polymer vehicle, and an indicator material that changes color upon exposure to carbon dioxide. Indicator materials include salts of indicator anions and lipophilic organic quaternary cations.

미국 특허 제5,005,572호는 호흡 기체 속의 이산화탄소를 결정하는 탐지기 및 환자의 기관에 삽관 기구를 적절하게 위치시키는 방법을 개시한다. 이산화탄소 탐지기는 pH 감도 염료, 고형상 지지체 및 H2CO3및 pH 감도 염료 사이의 반응을 증가시키기 위한 이동 증가제를 포함한다.U.S. Patent 5,005,572 discloses a detector for determining carbon dioxide in a respiratory gas and a method for properly placing an intubation instrument in a patient's organ. Carbon dioxide detectors include a pH sensitive dye, a solid support and a migration enhancer to increase the reaction between H 2 CO 3 and pH sensitive dye.

미국 특허 제4,728,299호는 주위 대기에서의 이산화탄소의 농도가 2%를 초과할 때 색이 변화하는 색 pH 감도 인디케이터를 포함하는 지시 요소를 고정되게 부착한 담체를 포함하는 인디케이터 성분이 내재된 투명 창으로 둘러싸인, 가스 혼합물에서 이산화탄소를 탐지하기 위한 빠른 반응성 기구의 조합을 개시한다. 기구는 기관내 카테터의 정확한 위치를 결정하기 위해 사용된다.US Pat. No. 4,728,299 discloses a transparent window incorporating an indicator component comprising a carrier fixedly attached to an indicator element comprising a color pH sensitivity indicator that changes color when the concentration of carbon dioxide in the ambient atmosphere exceeds 2%. A combination of rapid reactive mechanisms for detecting carbon dioxide in a gas mixture surrounded is disclosed. The instrument is used to determine the exact location of the endotracheal catheter.

본 발명은 고형 상태 센서에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 기체의 농도, 특히 pO2및 pCO2및 적절한 인디케이터와 함께 인간의 혈액과 같은 액상 매질에서의 pH를 결정하는 데 사용되는 안정한 고형 상태 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a solid state sensor. More specifically, the present invention relates to a stable solid state sensor used to determine the concentration of gases, in particular pH in liquid media such as human blood, in combination with pO 2 and pCO 2 and appropriate indicators.

매질에서의 분석물, 특히 액상 및 기상 매질 둘 모두에서의 pO2, pCO2및 pH를 결정하기 위한 센서의 기능 및 안정성은 이후에 개시되는 바와 같이 중합성 실리콘 카비놀과 함께 사용되는 적절한 인디케이터에 의해 크게 증가됨이 발견되었다.The function and stability of the analytes in the medium, in particular the sensors for determining pO 2 , pCO 2 and pH in both liquid and gaseous media, are described in the appropriate indicators for use with the polymeric silicone carbinol as described later. Was found to increase significantly.

본 발명에 따라서, 매질 및 분석물에 대해 불활성이고 인디케이터의 감도에 영향을 미치지 않는 상기 인디케이터와 상용성이 있는 분자 구조를 갖는 실리콘 카비놀에서 형성된 가교결합된 고형물 실리콘 고무인 중합체로부터 형성된 안정화된 기질과 함께 분석물에 민감한 화학적 인디케이터를 포함하는, 매질에서 분석물을 결정하기 위한 안정한 생-불활성센서를 제공한다.According to the present invention there is provided a stabilized substrate formed from a polymer which is a crosslinked solid silicone rubber formed from silicone carbinol having a molecular structure compatible with the indicator that is inert to the medium and analyte and does not affect the sensitivity of the indicator. Together there is provided a stable bio-inert sensor for determining the analyte in the medium, including chemical indicators sensitive to the analyte.

본 발명의 센서에 사용되는 중합성 실리콘 고무는 바람직하게는 하기 2가지 유형중의 하나이다:The polymerizable silicone rubber used in the sensor of the present invention is preferably one of two types:

1. 하기 화학식 1을 갖는 실리콘 카비놀 단독중합체:1. Silicone carbinol homopolymers having the formula

상기 식에서, R은 메틸 또는 페닐이고, z는 1내지 20의 정수이고, n은 2 내지 500의 정수이다;Wherein R is methyl or phenyl, z is an integer from 1 to 20, n is an integer from 2 to 500;

2. 하기 화학식 2를 갖는 카비놀 실록산 공중합체:2. Carbinol siloxane copolymers having the formula

상기 식에서, R은 각각 메틸 또는 페닐이고, R들은 동일하거나 상이하고, z는 1 내지 20의 정수이고, x 및 y는 각각 정수이고 x 및 y의 합은 2내지 500이다.Wherein R is methyl or phenyl, respectively, R is the same or different, z is an integer from 1 to 20, x and y are each an integer and the sum of x and y is 2 to 500.

특히 바람직한 화학식 1의 단독중합체는 하기 화학식 3을 갖는 메틸 실리콘 카비놀 단독중합체이다:Especially preferred homopolymers of Formula 1 are methyl silicone carbinol homopolymers having the formula

상기 식에서, n은 2내지 500의 정수이다.Wherein n is an integer from 2 to 500.

바람직한 화학식 2의 공중합체는 상기 화학식 4를 갖는 디메틸/메틸 카비놀 실록산 공중합체이다:Preferred copolymers of formula (2) are dimethyl / methyl carbinol siloxane copolymers having formula (4):

상기 식에서, x 및 y 각각은 양의 정수이고 x 및 y의 합은 2내지 500이다.Wherein x and y are each positive integers and the sum of x and y is 2 to 500.

상기 선형 중합체는 카비놀 측쇄에 기인할 수 있는 독특한 특징을 갖는다.The linear polymer has unique characteristics that can be attributed to carbinol side chains.

본원에서 사용되는 카비놀은 상이한 알콕 측쇄를 갖는 실리콘을 말하는 일반적인 용어이다. 가교결합된 카비놀 기는 분석물에 민감한 인디케이터가 내부에 연관된 소수성의 기체 투과성 실리콘 매트릭스를 형성한다. 특히 바람직한 인디케이터는 이후 개시되는 산소 감도 루테늄이다. 다른 바람직한 인디케이터는 페놀 레드와 같은 이산화탄소를 감지하는 인디케이터이다.Carbinol as used herein is a generic term for silicones with different alkoxy side chains. Crosslinked carbinol groups form a hydrophobic gas permeable silicone matrix with an analyte sensitive indicator therein. Particularly preferred indicators are the oxygen sensitive ruthenium described below. Another preferred indicator is an indicator that detects carbon dioxide, such as phenol red.

본 발명에 따른 센서에서 기질로서 작용하는 선형 실리콘 중합체는 바람직하게는 말단이 불포화된 장쇄 알콜을 보호한 후 선택된 하이드로실리콘의 하이드로실화 반응(하이드로실릴화 반응으로도 언급된다)에서 사용하여 제조된다. 최종 단계는 알콜-OH기의 탈보호이다.The linear silicone polymers acting as substrates in the sensor according to the invention are preferably prepared by protecting the terminally unsaturated long chain alcohols and then in the hydrosilylation reaction (also referred to as hydrosilylation reaction) of the selected hydrosilicon. The final step is the deprotection of alcohol-OH groups.

상기 반응과 유사한 화학을 갖는 반응이 당분야에 공지되어 있다. 예를 들면, 하이드로실화 반응은 미국 특허 제3,122,522호에 개시된다. 그러나, 본 발명 이전에는, 언급된 반응을 따라 제조된 실리콘 중합체의 유형은 본원에 개시된 독특한 센서를 제조하기 위한 분석물을 감지하는 인디케이터로 사용되지 않았다. 특히 본 발명의 신규한 센서의 잇점은 원하는 센서를 형성하기 위해 실리콘 카비놀이 가교결합되어 상이한 인디케이터와 혼합되게 가공될 수 있는 고형의 실리콘 고무성 중합체를 생성하는 방식이다.Reactions with chemistry similar to the above reactions are known in the art. For example, hydrosilylation reactions are disclosed in US Pat. No. 3,122,522. However, prior to the present invention, the type of silicone polymer prepared following the mentioned reaction was not used as an indicator to sense analytes for making the unique sensor disclosed herein. In particular the advantage of the novel sensors of the present invention is the way in which the silicon carbinol is cross-linked to form a solid silicone rubbery polymer that can be processed to mix with different indicators to form the desired sensor.

본 발명의 센서에 사용되는 물질들의 독특한 잇점의 일부는Some of the unique benefits of the materials used in the sensors of the present invention

a) 수불용성인 극성 물질을 용해시키는 계면활성제로서 작용하는 긴 카비놀 측쇄이다. 본질적으로, 이들은 현재 시판되는 pO2및 pCO2센서의 결정적인 요소인 가소화된 고형 매트릭스에서 가소화제를 치환한다. 이들 용해된 측쇄는 바람직하게는 비극성 탄화수소 및 불포화 탄화수소 리간드를 함유하는 극성 전이 금속 착제와 특히 상용성이 있다.a) a long carbinol side chain that acts as a surfactant to dissolve water insoluble polar substances. In essence, they displace plasticizers in plasticized solid matrices that are the critical elements of currently available pO 2 and pCO 2 sensors. These dissolved side chains are particularly compatible with polar transition metal complexes which preferably contain nonpolar hydrocarbons and unsaturated hydrocarbon ligands.

b) 카비놀 측쇄의 크기 및 길이는 가교 결합된 고형물 중합체의 형태에 따라 변화될 수 있다. 동일한 중합체는 또한 탄소 쇄 길이를 감소시켜 덜 소수성이 될 수 있고 화학식 1 또는 2에서 z가 4이하이면 매우 친수성(심지어 수용성)일 수 있다. 중합체의 친수성은 또한 동일한 선형 예비중합체에서 장쇄 및 단쇄 알콜 기를 혼합하여 제어될 수 있다.b) The size and length of the carbinol side chain can vary depending on the shape of the crosslinked solid polymer. The same polymer can also be made less hydrophobic by reducing the carbon chain length and can be very hydrophilic (even water soluble) if z is 4 or less in formula (1) or (2). The hydrophilicity of the polymer can also be controlled by mixing long and short chain alcohol groups in the same linear prepolymer.

c) 실리콘 중합체 및 예비중합체의 안정성은 폴리실록산 주쇄에 의해 매우 증가된다. 중합체는 다양한 화학 약품에 대해 높은 내성을 갖고, 수증기 및 생물학적 기체에 장기간 노출되어도 그대로 보존된다. 감마 방사선하에서의 안정성은 PVA보다 우수하지는 않더라도 비교할 만 하다. 유리 알콜 기의 에테르 결합으로의 일부 전환은 -O· 및 H· 라디칼의 형성이 의해 발생할 수 있다.c) The stability of the silicone polymer and the prepolymer is greatly increased by the polysiloxane backbone. The polymers have high resistance to various chemicals and are preserved intact even after prolonged exposure to water vapor and biological gases. The stability under gamma radiation is comparable, although not better than PVA. Some conversion of free alcohol groups to ether bonds can occur by the formation of —O. And H. radicals.

d) 최종 중합체 뿐만 아니라 선형 실리콘 예비중합체는 역효과가 없고 예비 세포독성 연구에서 나타난 바와 같이 인디케이터 요소의 삼출이 없다.d) The linear silicone prepolymer as well as the final polymer have no adverse effects and no exudation of the indicator element as shown in the preliminary cytotoxicity studies.

본 발명의 바람직한 양태를 특히 하기에 개시한다.Particularly preferred embodiments of the invention are described below.

1. 폴리우레탄 유형의 경화 시스템:1. Polyurethane type curing system:

산소 감지 루테늄 인디케이터(즉, 트리스 (4,7-디페닐-1,10-페난트롤린) 루테늄(II) 클로라이드) 및 용해 환경(인디케이터를 위한)으로서 알콜 중합체 측쇄를 혼입하여 우호적으로 생산된 실리콘 고무 매트릭스는 하기와 같이 제조된다: 선택된 예비중합체(알콜 측쇄가 실리콘-탄소 결합에 의해 부착된 폴리실리콘 선형 중합체)가 촉매의 존재하에 이작용성 이소시아네이트와 반응하여 일부 알콜 기가 하기 식에서 도시되는 바와 같이 우레탄 형 연결에 의해 가교결합되는 실리콘 매트릭스를 형성한다.Silicon produced favorably by incorporating an alcohol polymer side chain as an oxygen sensing ruthenium indicator (ie, tris (4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline) ruthenium (II) chloride) and a dissolution environment (for indicators) The rubber matrix is prepared as follows: The selected prepolymer (polysilicon linear polymer with alcohol side chains attached by silicon-carbon bonds) reacts with the difunctional isocyanate in the presence of a catalyst such that some alcohol groups are shown in the formula below. It forms a silicone matrix that is crosslinked by type linking.

가교결합제는 시판되는 다수의 디이소시아네이트중 임의의 하나일 수 있다.The crosslinker may be any one of a number of diisocyanates commercially available.

바람직한 촉매는 [CH3(CH2)3]2Sn[O2C(CH2)10CH3]2의 화학식을 갖는 디부틸틴디라우레이트(DBTDL)이다.Preferred catalysts are dibutyltindilaurate (DBTDL) having the formula [CH 3 (CH 2 ) 3 ] 2 Sn [O 2 C (CH 2 ) 10 CH 3 ] 2 .

저분자량 실리콘 카비놀(상기 및 하기 모든 다른 화합물에서 카비놀은 달리 명시되지 않으면 C10알콜로 이해된다)은 염화 메틸렌에 이미 용해된 루테늄 인디케이터와 혼합된다; 2개의 용액을 혼합하고 혼합물을 공기로 퍼징하여 염화 메틸렌을 제거한다. 실리콘 카비놀에 첨가하기 전에 루테늄 인디케이터를 예비용해시키기 위한 용매의 사용은 단지 편의 및 혼합 공정의 속도를 증가시키기 위한 것이다. 다르게는, 인디케이터는 초음파분쇄에 의해 실리콘 카비놀(들)에서 직접적으로 용해될 수 있다.Low molecular weight silicone carbinol (carbinol in this and all other compounds below is understood to be C 10 alcohol unless otherwise specified) is mixed with a ruthenium indicator already dissolved in methylene chloride; The two solutions are mixed and the mixture is purged with air to remove methylene chloride. The use of a solvent to predissolve the ruthenium indicator prior to addition to the silicone carbinol is merely to increase the convenience and speed of the mixing process. Alternatively, the indicator can be dissolved directly in the silicon carbinol (s) by sonication.

그런 다음, 투명한 심홍색 중합체 전구체 혼합물을 적절한 이작용성 이소시아네이트와 혼합하고 65℃의 오븐에서 경화시킨다. 경화 시간은 현재 사용되는 이소시아네이트를 보다 반응성이 있는 방향적 이소시아네이트로 치환하고/하거나 더 많은 촉매(즉, DBTDL과 같은 주석 촉매와 함께 톨릴렌 디이소시아네이트 또는 TDI는 실리콘 카비놀을 실온에서 2내지 10분에서 경화시킨다)를 첨가하여 단축될 수 있다.The clear magenta polymer precursor mixture is then mixed with the appropriate difunctional isocyanate and cured in an oven at 65 ° C. Cure times replace currently used isocyanates with more reactive aromatic isocyanates and / or more catalysts (i.e., tolylene diisocyanate or TDI with tin catalysts such as DBTDL will allow silicone carbinol to be 2 to 10 minutes at room temperature). It can be shortened by adding).

전형적인 중합체 전구체 혼합물은 80 내지 90%의 실리콘 C10-카비놀, 염화 메틸렌에 예비용해되고 상기 개시된 바와 같이 처리된 25mg/g의 루테늄 인디케이터의 예비중합체, 10 내지 20%의 디이소시아네이트 가교결합제, 0.01 내지 2%의 촉매(선택적, 경화를 가속화) 및*트리스(4,7-디페닐-1,10-페난트롤린) 루테늄(II) 클로라이드로 구성된다.A typical polymer precursor mixture is 80 to 90% of silicone C 10 -carbinol, prepolymer of 25 mg / g ruthenium indicator predissolved in methylene chloride and treated as disclosed above, 10 to 20% diisocyanate crosslinker, 0.01 To 2% catalyst (selective, accelerate curing) and * tris (4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline) ruthenium (II) chloride.

열 경화 시스템을 위한 전형적인 혼합물은 900㎎의 저분자량 실리콘 C10-카비놀 단독중합체, 염화 메틸렌에 예비용해되어 첨가되고 실리콘 카비놀과 혼합된 25g의 Ru 인디케이터(클로라이드), 10중량%*인 이소포론 디이소시아네이트(IPDI) 100㎎, 및 염화 메틸렌중의 1% DBTDL 촉매 100㎖(총 촉매 농도중에서 실제로 0.01%)이다.A typical mixture for a thermal cure system is 900 mg low molecular weight silicone C 10 -carbinol homopolymer, 25 g of Ru indicator (chloride) pre-dissolved in methylene chloride and mixed with silicon carbinol, 10% by weight * iso 100 mg of poron diisocyanate (IPDI), and 100 mL of 1% DBTDL catalyst in methylene chloride (actually 0.01% of total catalyst concentration).

*중합체 전구체 + 가교결합체는 총중량의 100%로 간주된다; 루테늄 인디케이터의 중량은 포함되지 않고 촉매의 중량은 총 중량의 1%를 넘지 않는 한 총 중량의 일부로 간주되지 않는다. The polymer precursor + crosslinker is considered 100% of the total weight; The weight of the ruthenium indicator is not included and the weight of the catalyst is not considered part of the total weight unless it exceeds 1% of the total weight.

상기 혼합물의 작업 시간은 60 내지 90분이다; 이는 적합한 가교결합제 및 촉매의 선택에 의해 연장될 수 있다.The working time of the mixture is from 60 to 90 minutes; This can be extended by the selection of suitable crosslinkers and catalysts.

2. 폴리에테르 유형의 경화:2. Curing polyether type:

본 양태에서, 놀랍게도 특정한 실리콘 카비놀은 주석 촉매(DBTDL)의 존재하에서, 아마도 서로 반응하여 에테르 결합을 형성한 알콜 측쇄에 의해, 경화(고형 실리콘 고무를 형성)될 수 있다는 것을 발견하였다.In this embodiment, it has surprisingly been found that certain silicone carbinols can be cured (forming solid silicone rubber) in the presence of a tin catalyst (DBTDL), possibly by alcohol side chains which reacted with each other to form ether bonds.

상기 고형물은 0.5중량%이하 농도의 주석 촉매와 함께 고분자 실리콘 카비놀 단독 중합체로 제조되어왔다. 저분자량 실리콘 카비놀 단독중합체는 저농도 DBTDL에서 고형물을 생성시키는데 실패하였다. 상기 방법으로 산소 센서를 제조할 때, 일어날 수 있는 다른 측반응을 예방하기 위해서 주석 촉매의 농도를 낮게(2%를 초과하지 않게)유지시켜야 한다.(고농도의 주석 촉매에서는 고형물 필름이 어두워지고 이들의 산소 감지력이 떨어지고, 이는 복합체는 루테늄(II) 이온과 촉매사이에 발생하는 일부 산화 환원에 의한 것으로 추정된다).The solid has been made of a polymeric silicone carbinol homopolymer with tin catalyst at concentrations of up to 0.5% by weight. Low molecular weight silicone carbinol homopolymers failed to produce solids at low concentrations of DBTDL. When producing oxygen sensors in this way, the concentration of tin catalysts should be kept low (not exceeding 2%) to prevent other side reactions that may occur. The oxygen sensing ability of is lowered, which is presumed to be due to some redox occurring between the ruthenium (II) ions and the catalyst).

저분자량 실리콘 카비놀은 상기 방법으로 고형물 상태의 pCO2센서를 제조하는데 이용될 수 있다.Low molecular weight silicon carbinol can be used to produce pCO 2 sensors in the solid state in this manner.

3. 알콜 보호기(지연 경화 시스템):3. Alcohol Protector (Delayed Curing System):

경화 공정을 더욱 우수하게 제어하고 상기 양태의 연장으로서, 차단된 -OH기를 갖는 실리콘 카비놀(들)을 갖는 것이 바람직하고, 탈보호시 이는 상기 개시된 동일한 유형으로 화학 반응할 수 있다. 상기 보호기는 선택된 중합 공정을 위한 화학적 및 열적 스위치로서 사용될 수 있다.As a better control of the curing process and as an extension of this embodiment, it is desirable to have silicone carbinol (s) with blocked -OH groups, which, upon deprotection, can chemically react with the same type described above. The protecting groups can be used as chemical and thermal switches for the chosen polymerization process.

하나의 상기 실시예는 동일 반응계에서 탈보호되어 유리 -OH기를 생성하고 중합을 시작할 수 있는 트리메틸실록시 유도체(TMS)의 사용을 포함한다.One such embodiment involves the use of trimethylsiloxy derivatives (TMS) which can be deprotected in situ to produce free -OH groups and initiate polymerization.

저분자량 및 중간 분자량 TMS-보호된 실리콘 카비놀(이는 또한 상응하는 카비놀의 제조를 위한 중간생성물이다) 및 가수분해된 TMS기는 중합체 전구체 혼합물을 HCl 증기에 노출시켜 제조된다.Low and medium molecular weight TMS-protected silicone carbinols (which are also intermediates for the preparation of corresponding carbinols) and hydrolyzed TMS groups are prepared by exposing the polymer precursor mixture to HCl vapor.

그런 다음, 반응은 상기 방법 1 또는 방법 2(또는 알콜 -OH기를 포함하는 다른 유형의 경화)와 같이 진행된다.The reaction then proceeds as with Method 1 or Method 2 (or other type of curing comprising an alcohol —OH group).

충진된 섬유 센서(폴리메틸 메타크릴레이트, PMMA, 섬유로 제조)를 염산 가스로 충진된 폐쇄된 샴버에 두거나 또는 단순히 충진된 센서를 농축 숙성 HCl을 함유한 접시 위쪽에 두어서 진행될 수 있다. 상기 경우, 장기간의 경화 중합에서 종종 발생되는 문제를 최소화시키기 위해 빨리 경화되는 조건(촉매가 있는 TDI 경화제)이 바람직하다.The filled fiber sensor (made of polymethyl methacrylate, PMMA, fiber) can be placed in a closed chamber filled with hydrochloric acid gas or simply placed on top of a dish containing concentrated aged HCl. In this case, conditions that cure quickly (catalyzed TDI curing agent) are preferred to minimize the problems often encountered in long-term cure polymerization.

상기 접근법의 유일한 단점은 일단 중합이 중합체 혼합물의 표면에서 개시되면, 더욱 중합되는 것은 TMS기의 가수분해 속도(즉, 이미 형성된 중합체를 통한 HCl 가스의 확산 속도)에 의해 제어되는 것이다. 폴리(메틸 메타크릴레이트) 섬유 자체는 그의 가수분해 조건이 상당히 엄격하므로(즉, PMMA 표면 부식은 뜨거운 알콜성 KOH 또는 농축 황산에서 발생한다) HCl 기체에 노출되어도 영향을 받지않아야 한다. 섬유 피복은 화학적으로 불활성인 과불소화된 탄화수소로 구성되므로 또한 그대로 남아있어야만 한다.The only disadvantage of this approach is that once polymerization is initiated at the surface of the polymer mixture, further polymerization is controlled by the rate of hydrolysis of the TMS group (ie the rate of diffusion of HCl gas through the already formed polymer). The poly (methyl methacrylate) fibers themselves must be unaffected by exposure to HCl gas because their hydrolysis conditions are quite stringent (ie PMMA surface corrosion occurs in hot alcoholic KOH or concentrated sulfuric acid). The fiber coating consists of chemically inert perfluorinated hydrocarbons and therefore must remain intact.

다른 알콜 보호기는 지연된 경화 공정의 제어를 위한 후보자로서 사용될 수 있다.Other alcohol protecting groups can be used as candidates for controlling the delayed curing process.

4. UV 경화 시스템:4. UV Curing System:

열 경화 시스템에 사용되는 여러 개념이 UV-경화될 수 있는 실리콘 카비놀로 연장되었다. 알콜기를 메타크릴레이트 기로 부분 치환하여 상기 시스템의 수단을 제공한다; 선형 쇄 연장 및 가교결합이 메타크릴레이트 기를 통해 유리 라디칼 기작으로 발생된다.Several concepts used in thermal curing systems have been extended to silicone carbinol, which can be UV-cured. Partial substitution of an alcohol group with a methacrylate group provides a means of such a system; Linear chain extension and crosslinking occur with free radical mechanisms via methacrylate groups.

UV-개시제는 벤조인 이소-부틸 에테르 또는 시판되는 다른 벤조인 유도체이다.UV-initiators are benzoin iso-butyl ether or other benzoin derivatives commercially available.

다른 접근은 실리콘 카비놀 -OH기를 메타크릴산으로 부분 에스테르화시키는 것이다. 상기 시스템은 고무되는 결과로 시험되어 왔다. 예를 들면 메타크릴레이트 기로 완전히 에스테르화된 폴리디메틸실록산/메틸 C10-카비놀(37 내지 40%) 공중합체는 액상 UV-개시제(벤조인 이소-부틸 에테르)의 존재시 UV-조사되었을 때, 경질의 고형물을 생성하였다. 동일조건하에서 낮은 메타크릴레이트 함량(7.5%이하)의 여러 저분자량 실리콘 카비놀은 겔 또는 매우 연질의 고형물을 생산하였다.Another approach is to partially esterify silicone carbinol-OH groups with methacrylic acid. The system has been tested with encouraging results. For example, a polydimethylsiloxane / methyl C 10 -carbinol (37-40%) copolymer fully esterified with methacrylate groups is UV-irradiated in the presence of a liquid UV-initiator (benzoin iso-butyl ether) , Hard solids were produced. Under the same conditions, several low molecular weight silicone carbinols of low methacrylate content (less than 7.5%) produced gels or very soft solids.

다른 방법은 UV-경화되어 기체 투과가능한 고형물이 되고 여전히 충분한 수의 유리 카비놀 측쇄를 남겨서 루테늄 인디케이터를 안정화시키고 더 큰 가요성 및 탄성을 경화된 중합체에 제공할 수 있는, 메타크릴레이트 기로 부분적으로 에스테르화된 낮은 점도의 실리콘 C10카비놀 단독 중합체의 제조를 포함한다. 탄소-탄소 결합을 통한 가교 결합은 일반적으로 가교 결합이 우레탄 기 또는 폴리에테르 결합 R-O-R을 통해 일어났을 때 보다 잘 부서지는 고형물을 생성한다. 카비놀 단독중합체상의 약 20% 함량의 메타크릴레이트 기는 일반적으로 상기 고형물을 생성시키기에 충분하고, 나머지 80%의 유리 카비놀 쇄는 중합체를 연화시키도록 남겨둔다.Another method is partially with methacrylate groups, which can be UV-cured to become a gas permeable solid and still leave a sufficient number of free carbinol side chains to stabilize the ruthenium indicator and provide greater flexibility and elasticity to the cured polymer. Production of esterified low viscosity silicone C 10 carbinol homopolymers. Crosslinking via carbon-carbon bonds generally produces solids that are more brittle when crosslinking occurs through urethane groups or polyether bond RORs. About 20% of the methacrylate groups on the carbinol homopolymer are generally sufficient to produce the solids and the remaining 80% of the free carbinol chains are left to soften the polymer.

상기 접근의 주 단점은 짧은 저장 기간(이들 물질은 저온 및 햇빛에 닿지 않게 보관하지 않으면 미리 중합된다)을 가질 수 있는 메타크릴화된 실리콘의 취급 및 보관이다. 다른 단점은 UV-조사시에 노출되어 생성되는 임의의 라디칼이 pH 인디케이터를 파괴시킬 수 있으므로 고형 상태의 pCO2센서의 생산에 상기 유형의 화학을 응용할 수 없다는 것이다.The main disadvantage of this approach is the handling and storage of methacrylated silicones, which can have a short shelf life (these materials are prepolymerized unless stored away from low temperatures and sunlight). Another disadvantage is the inability to apply this type of chemistry to the production of solid state pCO 2 sensors since any radicals produced upon exposure to UV-irradiation can destroy the pH indicator.

상기 공정의 일부 장점은 원하는 경우 자동화된 공정 및 경화의 세팅을 포함한다. 또한 pH 센서의 제조에 현재 사용되는 경화 방법 및 유리 라디칼로 개시되는 pO2센서의 제조 방법을 혼합하여 단일 섬유상에 다중 센서를 제조하는 추가의 잇점이 있을 수 있다.Some advantages of the process include the setting of automated processes and curing if desired. There may also be an additional advantage of mixing multiple curing methods on a single fiber by mixing the curing methods currently used in the manufacture of pH sensors and the manufacturing methods of pO 2 sensors initiated with free radicals.

5. 광불안정한 보호 기 화학:5. Photolabile protecting group Chemistry:

알콜 보호기의 특별한 경우로서 및 상기 3 및 4에서 개시된 보호기와 연관하여, UV-조사에 노출되어 광분해될 수 있는 알콜 -OH 보호기를 사용하는 것이 특히 고려되었다. 상기 기는 당 화학에서 성공적으로 사용되어 왔고 유전자 및 DNA 조사에서도 사용되어 왔다.As a special case of alcohol protecting groups and in connection with the protecting groups disclosed in 3 and 4 above, the use of alcohol-OH protecting groups which can be photolysed by exposure to UV-irradiation has been particularly contemplated. Such groups have been used successfully in sugar chemistry and have been used in gene and DNA investigations.

다른 양태에서 320nm 이상에서 10분간 조사시 벤질 기 및 유리 알콜이 정량 가수분해되므로, 오르토-니트로벤질 에테르가 주요 보호기로서 선택되었다. 반응은 하기 반응식으로 도시될 수 있다.In another embodiment, ortho-nitrobenzyl ether was selected as the main protecting group since benzyl groups and free alcohols were quantitatively hydrolyzed upon irradiation at 320 nm or more for 10 minutes. The reaction can be shown by the following scheme.

이 때, ROH는 알콜 또는 당이고 X는 염소 또는 브롬이다.Wherein ROH is alcohol or sugar and X is chlorine or bromine.

동일한 유형의 화학이 실리콘 카비놀에 연장될 수 있다. 따라서, C10-알콜은 2-니트로벤질 브로마이드로 알킬화되고 생성된 니트로벤질 에테르는 고농도의 UV-조사에 노출되어 가수분해된다(조질 생성물의 적외선 분광에서 -O-H 연신 진동에 의해 명확한 바와 같이).The same type of chemistry can be extended to silicone carbinol. Thus, C 10 -alcohols are alkylated with 2-nitrobenzyl bromide and the resulting nitrobenzyl ethers are hydrolyzed upon exposure to high concentrations of UV-irradiation (as apparent by -OH stretching vibrations in the infrared spectroscopy of the crude product).

니트로벤질 보호된 실리콘 카비놀은 2-니트로벤질 할라이드로 알킬화하여 직접적으로 제조하거나 또는 먼저 불포화 알콜을 알킬화한 후 니트로벤질 보호된 알콜을 하이드로실리콘으로 하이드로실화 반응시켜 제조된다.Nitrobenzyl protected silicone carbinols are prepared directly by alkylation with 2-nitrobenzyl halide or by first alkylating unsaturated alcohols followed by hydrosilylation of the nitrobenzyl protected alcohols with hydrosilicon.

니트로벤질 보호된 실리콘 카비놀 류테늄 인디케이터를 함유한 예비중합체 혼합물, 및 주석 촉매가 있는 TDI는 센서 섬유가 충진되어 표준물을 고정시키고, 열 경화된 폴리우레탄 고형물이 형성될 때 UV 조사될 수 있다.Prepolymer mixtures containing nitrobenzyl protected silicone carbinol ruthenium indicators, and TDI with tin catalyst can be UV irradiated when the sensor fibers are filled to fix the standards and a heat cured polyurethane solid is formed. .

상기 반응은 사용가능한 임의의 상기 개시된 화학에 따라 제조될 수 있다.The reaction can be prepared according to any of the above disclosed chemistries available.

부산물인 오르토-니트로소벤잘데하이드는 매트릭스에 잔류하지만 폴리우레탄 경화에 역효과를 미쳐서는 안된다. 니트레이트 에스테르는 또한 광분해될 수 있는 알콜보호기로서 사용될 수 있다. 조사 및 그의 후속적인 분해는 기체성 부산물만을 생성하고 최종 중합체의 생성에 더욱 적합할 것이다.The by-product ortho-nitrosobenzalaldehyde remains in the matrix but should not adversely affect polyurethane curing. Nitrate esters can also be used as alcohol protecting groups that can be photolyzed. Irradiation and subsequent decomposition thereof will produce only gaseous byproducts and will be more suitable for the production of the final polymer.

하기 실시예는 본 발명에 따른 pO2센서의 인디케이터-중합체 조합의 제조를 예시한다.The following examples illustrate the preparation of indicator-polymer combinations of pO 2 sensors according to the present invention.

[도면의 간단한 설명][Brief Description of Drawings]

[실시예]EXAMPLE

최종 중합체 매트릭스에서 산소 감지 인디케이터의 원하는 농도는 25㎎ 인디케이터/중합체g이다. 중합체는 80%의 실리콘 카비놀 및 20%의 IPDI(이소포론 디이소시아네이트) 가교결합제로 제조된다. 인디케이터 + 실리콘 카비놀의 저장 용액은 제조되어 무기한 저장될 수 있다. 저장 용액의 제조 방법은 하기와 같다.The desired concentration of oxygen sensing indicator in the final polymer matrix is 25 mg indicator / g. The polymer is made of 80% silicone carbinol and 20% IPDI (isophorone diisocyanate) crosslinker. A stock solution of indicator + silicon carbinol can be prepared and stored indefinitely. The preparation method of the stock solution is as follows.

1) 16 x 125㎜ 시험관 및 적절한 수용 비이커의 중량을 기록하였다.1) Record the weight of the 16 x 125 mm test tube and appropriate receiving beaker.

2) 4g의 실리콘 카비놀을 시험관에 넣었다.2) 4 g of silicon carbinol was placed in a test tube.

3) 각각의 비이커에서 0.125g의 루테늄(클로라이드 형) 인디케이터를 1.25cc의 염화 메틸렌에 첨가하고 완전히 용해시켰다.3) In each beaker, 0.125 g ruthenium (chloride type) indicator was added to 1.25 cc of methylene chloride and completely dissolved.

4) 인디케이터 용액을 실리콘 카비놀에 첨가하고 잘 혼합하였다. 이는 혼합물을 일회용 피펫으로 흡입시키고 밀어내고 하여 수행되었다.4) The indicator solution was added to the silicone carbinol and mixed well. This was done by inhaling and pushing the mixture into a disposable pipette.

5) 공기 공급원을 200㎕ 피펫의 1회용 팁에 연결시켰다. 피펫의 팁을 중합체/인디케이터 혼합물이 있는 시험관에 두고 칭량하여 결정되는 모든 염화메틸렌이 날라갈 때까지 혼합물을 통해 공기를 불어넣었다.5) The air source was connected to a disposable tip of a 200 μl pipette. The tip of the pipette was placed in a test tube with a polymer / indicator mixture and air was blown through the mixture until all the methylene chlorides determined by weighing were blown off.

그런 다음, 0.01%의 DBTDL(디부틸틴 디라우레이트) 촉매를 하기와 같이 제조하였다:Then, 0.01% DBTDL (dibutyltin dilaurate) catalyst was prepared as follows:

1) 100㎕의 디부틸틴 디라우레이트(DBTDL)를 10㎖의 염화 메틸렌에 첨가하여 1%의 용액을 제조하였다.1) 100 μl of dibutyltin dilaurate (DBTDL) was added to 10 ml of methylene chloride to prepare a 1% solution.

2) 100㎕의 1% 용액을 10㎖ 염화 메틸렌에 첨가하여 0.01% 용액을 제조하였다.2) A 0.01% solution was prepared by adding 100 μl of 1% solution to 10 ml methylene chloride.

최종 센서는 상기 개시된 바와 같은 미국 특허 제4,889,407호에 개시된 방법에 따라 제조된 광섬유에 셀을 충진시켜서 형성되었다. 광섬유 센서의 셀이 충진될 준비가 되었을 때, 중합체를 하기와 같이 제조하였다.The final sensor was formed by filling a cell in an optical fiber made according to the method disclosed in US Pat. No. 4,889,407 as disclosed above. When the cell of the fiber optic sensor was ready to be filled, the polymer was prepared as follows.

1)10 x 75㎜ 시험관 및 적절한 수용 비이커의 중량을 기록하였다.1) Record the weight of a 10 x 75 mm test tube and a suitable receiving beaker.

2) 0.4g의 저장 용액(Si-carb + 인디케이터)을 시험관에 넣었다.2) 0.4 g stock solution (Si-carb + indicator) was placed in a test tube.

3) 1cc의 염화 메틸렌을 시험관에 첨가하고 일회용 피펫으로 잘 혼합하였다.3) 1 cc of methylene chloride was added to the test tube and mixed well with a disposable pipette.

4) 0.1g의 IPDI를 시험관에 첨가하고 동일한 일회용 피펫으로 상기와 같이 잘 혼합하였다.4) 0.1 g of IPDI was added to the test tube and mixed well as above with the same disposable pipette.

5) 500㎕의 0.01% DBTDL 용액을 시험관에 첨가하고 동일한 일회용 피펫으로 상기와 같이 잘 혼합하였다.5) 500 μl of 0.01% DBTDL solution was added to the test tube and mixed well as above with the same disposable pipette.

6) 공기로 혼합물을 퍼징하여 염화 메틸렌을 제거하였다. 모든 염화 메틸렌이 제거된 때를 결정하기 위해 혼합물을 칭량하였다.6) The mixture was purged with air to remove methylene chloride. The mixture was weighed to determine when all methylene chloride was removed.

모든 용매가 제거될 때까지 20 내지 30분이 걸렸다. 상기 시간후에 혼합물을 pO2섬유의 셀로 60 내지 90분동안 피펫팅하였다. 이때, 혼합물은 작업하기에 너무 진하게 된다. 섬유가 충진된 후에, 중합체를 65℃의 오븐에서 24시간동안 경화시킨다. 실제로, 경화는 2내지 3시간 후에 일어날 수 있지만, 24시간이내에 확실하게 종결된다.It took 20 to 30 minutes until all solvent was removed. After this time the mixture was pipetted into a cell of pO 2 fibers for 60 to 90 minutes. At this time, the mixture becomes too thick to work. After the fiber is filled, the polymer is cured in an oven at 65 ° C. for 24 hours. In practice, curing can occur after two to three hours, but is reliably terminated within 24 hours.

상기 실시예에서 개시된 방법은 또한 pCO2센서의 제조에 이용될 수 있다. 바람직한 양태에서, 이산화탄소 감지 인디케이터는 친유기성 4차 암모늄 양이온 및 설폰프탈레인 염료(예를 들면, 테트라옥틸암모늄 하이드록사이드 및 페놀 레드)의 음이온의 이온착물로부터 형성된다. 인디케이터는 상기 개시된 바와 같이 광섬유의 셀을 충진시키기에 적합한 실리콘 카비놀 중합체 매트릭스로 혼입된다. 중합체/인디케이터 매트릭스는 이산화탄소 농도의 변화에 빠른 반응을 보이는 시스템을 제공한다.The method disclosed in this embodiment can also be used for the manufacture of pCO 2 sensors. In a preferred embodiment, the carbon dioxide sensing indicator is formed from an ionic complex of an lipophilic quaternary ammonium cation and an anion of sulfonphthalein dyes (eg, tetraoctylammonium hydroxide and phenol red). The indicator is incorporated into a silicone carbinol polymer matrix suitable for filling the cells of the optical fiber as disclosed above. The polymer / indicator matrix provides a system that responds quickly to changes in carbon dioxide concentration.

미국 특허 제4,889,407호에 개시된 바와 같이 제조된 pH 센서 및 pCO2센서와 조합된, 미국 특허 제 5,262,037호에 개시된 바와 같은 pO2를 결정하기 위한 전기화학적 센서를 포함하는 다중 변수 센서는 본 발명의 양수인인 바이오메디칼 센서스 리미티드(Biomedical Sensors Ltd.)에 의해 현재 제작된다. 본 발명의 기술은 미국 특허 제 4,889,407호에서 개시된 바와 같은 광섬유 구조에 응용되어 전술한 다중 변수 센서에 사용되는 전기화학적 pO2센서를 치환할 수 있는 광섬유 pO2센서를 제조할 수 있다. 마찬가지로 pCO2및 pH 센서는 본 발명에 따라 제조될 수 있고, 현재 시판되는 센서와 다른 면에서는 유사한, 결과로 생성된 다중 변수 센서는 다수의 장점을 갖는다.Multivariate sensors, including electrochemical sensors for determining pO 2 as disclosed in US Pat. No. 5,262,037, in combination with pH and pCO 2 sensors prepared as disclosed in US Pat. No. 4,889,407, are assignable to the present invention. It is currently manufactured by Biomedical Sensors Ltd. The technique of the present invention can be applied to an optical fiber structure as disclosed in US Pat. No. 4,889,407 to produce an optical fiber pO 2 sensor capable of substituting the electrochemical pO 2 sensor used in the aforementioned multivariable sensor. Likewise pCO 2 and pH sensors can be made in accordance with the present invention, and the resulting multivariate sensor, which is similar in other respects to currently available sensors, has a number of advantages.

예를 들면, 종래 기술에 개시된 기술에 따른 pCO2센서의 제조에서, 인디케이터를 함유한 필름은 대량의 용매가 증발되는 것을 허용하여 캐스팅된다. 상기 캐스팅 기술은 용매 증발로 인한 부피 손실로 인해 광섬유에서의 셀의 충진을 용이하게 하지 않는다. 또한, 필름을 형성하기 위해 사용되는 중합체는 이산화탄소에 매우 투과적이지 않고 필름이 매우 얇고 가소성이 있을 때만 빠른 반응을 제공할 것이다. 종래 기술의 다른 문제는 중합체 및 가소화제 자체가 산 또는 염기의 공급원이어서 pCO2에 반응하는 센서의 pH 범위를 이동시킨다. 내기관 튜브의 정확한 위치의 결정과 같은 응용 분야에서, 상기 후자의 문제는 필름-계 센서가 주로 색 전환으로서 사용되므로 크게 중요하지 않다. 그러나, 본 발명의 바람직한 양태에서, 즉 환자의 혈액에서 분석물의 농도를 결정하기 위한 삽입용 카테터에 혼입되는 다중 변수 센서에서는, 색 변화는 분석 변수 시스템의 일부로서 사용되고, 매트릭스의 CO2-감지 범위를 이동시키는 매트릭스의 중합체의 산 및/또는 염기 성분의 어떤 변화도 센서에 의한 측정의 정확도를 위험하게 할 것이다.For example, in the manufacture of a pCO 2 sensor according to the techniques disclosed in the prior art, films containing indicators are cast allowing the evaporation of a large amount of solvent. The casting technique does not facilitate filling of cells in the optical fiber due to volume loss due to solvent evaporation. In addition, the polymer used to form the film will not be very permeable to carbon dioxide and will provide a fast reaction only when the film is very thin and plastic. Another problem with the prior art is that the polymer and the plasticizers themselves are the source of acid or base, shifting the pH range of the sensor that reacts to pCO 2 . In applications such as the determination of the exact position of the endotracheal tube, the latter problem is not of great importance since the film-based sensor is mainly used as color conversion. However, in a preferred embodiment of the invention, i.e. in a multivariate sensor incorporated into an insertion catheter for determining the concentration of the analyte in the blood of the patient, the color change is used as part of the analytical parameter system and the CO 2 -sensing range of the matrix. Any change in the acid and / or base component of the polymer of the matrix, which will shift the will jeopardize the accuracy of the measurement by the sensor.

상기 문제를 해결하기 위한 시도에서 다수의 공지된 실리콘 고무가 조사되었지만 인디케이터 복합체는 조사된 모든 중성 경화 실리콘의 경화를 억제하는 것으로 발견되었다. 그러나 문제는 본 발명의 실리콘 카비놀 중합체를 사용하여 해결되었다. 본 발명의 중합체는 경화동안 부피 손실이 없고, 실리콘과 유사한 투과 특성을 갖는 중성 매트릭스를 제공하고, 이것으로 제조된 pCO2센서는 CO2농도의 변화에 따른 반응을 제공한다. 보다 중요하게는 시스템의 경화는 인디케이터 복합체의 존재에 영향을 받지 않는다.Although many known silicone rubbers have been investigated in an attempt to solve this problem, indicator composites have been found to inhibit the curing of all neutral cured silicones investigated. However, the problem was solved using the silicone carbinol polymer of the present invention. The polymers of the present invention provide a neutral matrix that has no volume loss during cure and has a permeation property similar to that of silicon, and the pCO 2 sensor made therefrom provides a response to changes in CO 2 concentration. More importantly, the curing of the system is not affected by the presence of the indicator complex.

본 발명에 따라 제조된 다수의 pCO2센서 및 그의 성능은 매우 우수하다. 가교결합에 따라 90% 반응 시간은 전형적인 55%의 변조가 있는 75초 내지 360초로 매우 다양하다. 이는 25% 내지 55%의 변조 범위 및 150초 내지 200초의 반응 시간을 갖는 현재의 센서와 비교시 양호하다.Many pCO 2 sensors made in accordance with the present invention and their performance are very good. Depending on the crosslinking, the 90% reaction time varies widely from 75 seconds to 360 seconds with a typical 55% modulation. This is good compared to current sensors with a modulation range of 25% to 55% and a response time of 150 seconds to 200 seconds.

본원에서 상기 개시된 바와 같은 다중-변수 광섬유 센서에서의 사용에 추가하여, 적합한 기질의 혼입에 의해, 본 발명에 따른 실리콘 카비놀 중합체로 제조된 CO2센서는 미국 특허 제4,728,499호에서 개시된 바와 유사한 기구와 같은 환자의 기관내에 내기관 튜브의 위치를 결정하기 위한 기구내에서 사용될 수 있다.In addition to use in multi-variable fiber optic sensors as disclosed herein above, by incorporation of a suitable substrate, a CO 2 sensor made from a silicone carbinol polymer according to the present invention is a device similar to that disclosed in US Pat. No. 4,728,499. It can be used in an instrument for determining the position of the endotracheal tube in the trachea of a patient such as

본원에 개시되고 실시예에서 예시된 pO2센서에 대해, 바람직한 인디케이터 트리스(4,7-디페닐-1,10-페난트롤린) 루테늄(II) 클로라이드가 그의 바람직한 물리적 특징 및 산소 감지 기술에서의 응용의 역사로 인해 사용되었다. 가시 광선 분광에서 보이는 2개의 전하 이동 밴드에 대해 높은 흡광 계수를 갖는다. 들뜸 파장은 현재 시판되는 청색 LED와 상용성이 있다. 발광 양자 수율은 상당히 높고(n-0.5) 때때로 인디케이터가 중합체 매트릭스에 혼입될 때 이중(대략 통합된)일 수 있다. 강한 가시광선 흡광을 갖는 외에도, 상기 인디케이터는 또한 n-140nm의 주목할 만한 스토크(Stoke)의 이동을 갖는 강한 형광을 갖는다. 따라서, 반사된 배경광으로부터의 간섭은 최소이다.For the pO 2 sensors disclosed herein and illustrated in the examples, the preferred indicator tris (4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline) ruthenium (II) chloride is in its preferred physical characteristics and oxygen sensing technology Used due to the history of the application. It has a high extinction coefficient for the two charge transfer bands seen in visible light spectroscopy. The excitation wavelength is compatible with current blue LEDs. The luminescence quantum yield is quite high (n - 0.5) and can sometimes be double (approximately integrated) when the indicator is incorporated into the polymer matrix. In addition to having strong visible light absorption, the indicator also has a strong fluorescence with a noticeable stoke shift of n - 140 nm. Thus, interference from reflected background light is minimal.

발광 양자 수율 및 발광 효율 둘 모두는 들뜸 파장과는 독립적이다. 방사되는 산소켄칭 상수는 상당히 높고 대상(O2) 분석물에 대한 감도를 증가시킨다. 비방사성 켄칭 상수는 상이한 매질(용매, 중합체)에서 변화하지만 방사성 방출을 극복할 만큼 중요하지 않다.Both luminescence quantum yield and luminescence efficiency are independent of the excitation wavelength. The quenched oxygen quenching constant is quite high and increases the sensitivity to the subject (O 2 ) analyte. Non-radioactive quench constants change in different media (solvents, polymers) but are not critical enough to overcome radioactive release.

바람직한 인디케이터는 또한 열, 화학 및 광화학적으로 안정하다. 임의의 오랜 시간동안의 광 표백은 최소한(특히 일반적으로 사용되는 저에너지 광원)이고 이는 센서의 반감기를 크게 증가시킨다. 멸균하기 위해 감마-조사를 사용한 시험은 약 20 내지 25%의 인디케이터가 붕괴됨을 나타내지만, 이는 다른 인디케이터에서 관찰된 손실과 비교시 우호적이다.Preferred indicators are also thermally, chemically and photochemically stable. Any long time light bleaching is minimal (especially commonly used low energy light sources) and this greatly increases the half life of the sensor. Tests using gamma-irradiation to sterilize show about 20-25% of indicator collapse, but this is favorable compared to the losses observed with other indicators.

다른 pO2및 pCO2인디케이터를 본 발명에 따른 센서에서 사용할 수 있음을 이해해야만 한다. 예를 들면, pO2결정에 적합한 인디케이터는 백금 메조-테트라(펜타 플루오로페닐) 포르핀 및 백금 메조-테트라페닐 포르핀이고; 적합한 pCO2인디케이터는 크레졸 레드 및 티몰 블루이다.It should be understood that other pO 2 and pCO 2 indicators can be used in the sensor according to the invention. For example, suitable indicators for pO 2 crystals are platinum meso-tetra (penta fluorophenyl) porphine and platinum meso-tetraphenyl porphine; Suitable pCO 2 indicators are cresol red and thymol blue.

Claims (8)

매질 및 분석물에 불활성이고, 인디케이터의 감도에 영향을 미치지 않는 중합체(이때, 중합체는 인디케이터와 상용성이 있는 분자 구조를 갖는 실리콘 카비놀로부터 제조된 가교결합된 고형 실리콘 고무이다)로부터 형성된 기질을 안정화시키면서 분석물에 민감한 화학적 인디케이터를 포함하는, 매질중의 분석물의 결정을 위한 안정화된 생-불활성 센서.Substrates formed from polymers that are inert to the medium and analyte and do not affect the sensitivity of the indicator, wherein the polymer is a crosslinked solid silicone rubber made from silicone carbinol having a molecular structure compatible with the indicator. A stabilized bio-inert sensor for the determination of an analyte in a medium, comprising a chemical indicator that is sensitive to the analyte while stabilizing. 제1항에 있어서, 중합체가 하기 화학식 1을 갖는 실리콘 카비놀 단독중합체인 센서:The sensor of claim 1 wherein the polymer is a silicone carbinol homopolymer having the formula 상기 식에서, R은 메틸 또는 페닐이고, z는 1내지 20의 정수이고, n은 2 내지 500의 정수이다.Wherein R is methyl or phenyl, z is an integer from 1 to 20 and n is an integer from 2 to 500. 제2항에 있어서, 중합체가 하기 화학식 3을 갖는 메틸 실리콘 카비놀 단독중합체인 센서:The sensor of claim 2, wherein the polymer is a methyl silicone carbinol homopolymer having Formula 3: 상기 식에서, n은 2내지 500의 정수이다.Wherein n is an integer from 2 to 500. 제1항에 있어서, 중합체가 하기 화학식 2를 갖는 카비놀 실록산 공중합체인 센서:The sensor of claim 1 wherein the polymer is a carbinol siloxane copolymer having the formula 식에서, R은 각각 메틸 또는 페닐이고, R들은 동일하거나 상이하고, z는 1 내지 20의 정수이고, x 및 y는 각각 정수이고 x 및 y의 합은 2내지 500이다.Wherein R is each methyl or phenyl, R is the same or different, z is an integer from 1 to 20, x and y are each an integer and the sum of x and y is 2 to 500. 제4항에 있어서, 중합체가 바람직한 화학식 2의 공중합체는 상기 화학식 4를 갖는 디메틸/메틸 카비놀 실록산 공중합체인 센서:The sensor of claim 4, wherein the copolymer of Formula 2 wherein the polymer is preferred is a dimethyl / methyl carbinol siloxane copolymer having Formula 4 above. 상기 식에서, x 및 y 각각은 양의 정수이고 x 및 y의 합은 2내지 500이다.Wherein x and y are each positive integers and the sum of x and y is 2 to 500. 제1항에 있어서, 인디케이터가 산소-감도 형광 인디케이터 트리스(4,7-디페닐-1,10-페난트롤린) 루테늄(II) 클로라이드인, 액상 매질에서 산소의 농도를 결정하기 위한 센서.The sensor of claim 1, wherein the indicator is an oxygen-sensitive fluorescent indicator tris (4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline) ruthenium (II) chloride. 제1항에 있어서, 인디케이터가 친유기성 4차 암모늄 양이온 및 설폰프탈레인 인디케이터의 음이온의 이온성 착제인, 액상 또는 기상 매질에서 이산화탄소의 농도를 결정하기 위한 센서.The sensor of claim 1, wherein the indicator is an ionic complex of an anionic of the lipophilic quaternary ammonium cation and the sulfonphthalein indicator. 제7항에 있어서, 인디케이터가 테트라옥틸암모늄 하이드록사이드 및 페놀 레드의 이온성 착제인 센서.8. The sensor of claim 7, wherein the indicator is an ionic complex of tetraoctylammonium hydroxide and phenol red.
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